Microsoft CryptoAPI加密技术（一）
Microsoft CryptoAPI加密技术（一）
作者:Cuick
在这个信息爆炸的时代，我们不得不对信息的安全提高警惕。加密作为保障数据信息安全的一种方式，越来越受到人们的关注。
下面，我将把自己对Microsoft CryptoAPI的一些肤浅的理解与大家共享，有什么不妥之处望不吝赐教。
一、 加密方法：
当初，计算机的研究就是为了破解德国人的密码，人们并没有想到计算机给今天带来的信息革命。随着计算机的发展，运算能力的增强，密码学已经取得了巨大的进展。大体来说有以下几种形式。
1、 公用密钥加密技术
加密和解密使用不同的密钥，分别叫做“公钥”和“私钥”。顾名思义，“私钥”就是不能让别人知道的，而“公钥”就是可以公开的。这两个必须配对使用，用公钥加密的数据必须用与其对应的私钥才能解开。这种技术安全性高，得到广泛运用，但是效率太低。
2、 对称密钥加密技术
要求加密和解密过程使用相同的密钥，这样，密钥必须只能被加解密双方知道，否则就不安全。这种技术安全性不高，但是效率高。
3、 结合公用和对称密钥加密技术
公钥加密技术以速度为代价换取了高安全性，而对称加密以低安全换取高性能，所以另一种常见的加密方法就是结合以上两种技术。
用对称加密算法对数据进行加密，然后使用更安全的但效率更低的公钥加密算法对对称密钥进行加密。
4、 数字签名和鉴别
就是对已经加密的数据“签名”，这样接收者可以知道加密的数据的来源，以及是否被更改。
二、 CryptoAPI
微软的CryptoAPI是PKI推荐使用的加密 API。其功能是为应用程序开发者提供在Win32环境下使用加密、验证等安全服务时的标准加密接口。CryptoAPI处于应用程序和CSP（cryptographic
service provider）之间（见图一）。
CryptoAPI的编程模型同Windows系统的图形设备接口 GDI比较类似，其中加密服务提供者CSP等同于图形设备驱动程序 ，加密硬件（可选）等同于图形硬件，其上层的应用程序也类似，都不需要同设备驱动程序和硬件直接打交道。
CryptoAPI共有五部分组成：简单消息函数（Simplified Message Functions）、低层消息函数（Low-level
Message Functions）、基本加密函数（Base Cryptographic Functions）、证书编解码函数（Certificate
Encode/Decode Functions）和证书库管理函数（Certificate Store Functions）。其中前三者可用于对敏感信息进行加密或签名处理，可保证网络传输信心的私有性；后两者通过对证书的使用，可保证网络信息交流中的认证性。
三、 CSP
看到这里，大家也许对CSP还比较迷惑。其实CSP是真正实行加密的独立模块，他既可以由软件实现也可以由硬件实现。但是他必须符合CryptoAPI接口的规范。
每个CSP都有一个名字和一个类型。每个CSP的名字是唯一的，这样便于CryptoAPI找到对应的CSP。目前已经有9种CSP类型，并且还在增长。下表列出出它们支持的密钥交换算法、签名算法、对称加密算法和Hash算法。
(表一)
CSP类型
交换算法
签名算法
对称加密算法
Hash算法
PROV_RSA_FULL
RSA
RSA
RC2
RC4
MD5
SHA
PROV_RSA_SIG
none
RSA
none
MD5
SHA
PROV_RSA_SCHANNEL
RSA
RSA
RC4
DES
Triple DES
MD5
SHA
PROV_DSS
DSS
none
DSS
MD5
SHA
PROV_DSS_DH
DH
DSS
CYLINK_MEK
MD5
SHA
PROV_DH_SCHANNEL
DH
DSS
DES
Triple DES
MD5
SHA
PROV_FORTEZZA
KEA
DSS
Skipjack
SHA
PROV_MS_EXCHANGE
RSA
RSA
CAST
MD5
PROV_SSL
RSA
RSA
Varies
Varies
从图一可以看到，每个CSP有一个密钥库，密钥库用于存储密钥。而每个密钥库包括一个或多个密钥容器（Key Containers）。每个密钥容器中含属于一个特定用户的所有密钥对。每个密钥容器被赋予一个唯一的名字。在销毁密钥容器前CSP将永久保存每一个密钥容器，包括保存每个密钥容器中的公/私钥对（见图二）。
四、 创建密钥容器，得到CSP句柄
说了这么多只是一些理论性的东西，后面将详细介绍一下Microsoft CryptoAPI的使用方法。
我们已经提过，每一个CSP都有一个名字和一个类型，并且名字保证唯一。所以可以通过名字和类型得到一个CSP。然而，要想加密肯定需要密钥，那么密钥放哪里呢？对了，就放在密钥容器。（有人会问，密码库有什么用？其实密钥库是在安装CSP的时候已经存在了，他与CSP是相对应的。）但是密钥容器并不是一开始就存在的，需要用户去创建。下面的代码实现以上功能（得到CSP即密码容器）。
if(CryptAcquireContext(
&hCryptProv, // 返回CSP句柄
UserName, // 密码容器名
NULL, // NULL时使用默认CSP名（微软RSA Base Provider）
PROV_RSA_FULL, // CSP类型
0)) // Flag values
{
//以UserName为名的密钥容器存在，那么我们已经得到了CSP的句柄
printf("A crypto context with the %s key container \n", UserName);
printf("has been acquired.\n\n");
}
else //如果密钥容器不存在，我们需要创建这个密钥容器
{
if(CryptAcquireContext(
&hCryptProv,
UserName,
NULL,
PROV_RSA_FULL,
CRYPT_NEWKEYSET)) //创建以UserName为名的密钥容器
{
//创建密钥容器成功，并得到CSP句柄
printf("A new key container has been created.\n");
}
else
{
HandleError("Could not create a new key container.\n");
}
} // End of else
好了，我们已经创建了密钥容器，并得到了CSP的句柄。也可以这样理解，我们得到了一个CSP的句柄，并且它被绑定到以UserName为名的密钥容器上。嘿嘿……
那么，以后的加解密等操作，都将在这个CSP上进行。
可以如下删除密钥容器。
CryptAcquireContext(&hCryptProv, userName, NULL, PROV_RSA_FULL, CRYPT_DELETEKEYSET);
五、 一个文件加密的例子
看到这里肯定有人开始说了，“这么多废话，还不快讲怎么加密怎么解密！”您先别急，有些原理性的东西还是先了解了比较好，对以后的使用会有很大帮助。
言归正传，我们来看一段文件加密的代码。
#include <stdio.h
#include <windows.h
#include <wincrypt.h
#define MY_ENCODING_TYPE (PKCS_7_ASN_ENCODING | X509_ASN_ENCODING)
#define KEYLENGTH 0x00800000
void HandleError(char *s);
//--------------------------------------------------------------------
// These additional #define statements are required.
#define ENCRYPT_ALGORITHM CALG_RC4
#define ENCRYPT_BLOCK_SIZE 8
// Declare the function EncryptFile. The function definition
// follows main.
BOOL EncryptFile(
PCHAR szSource,
PCHAR szDestination,
PCHAR szPassword);
//--------------------------------------------------------------------
// Begin main.
void main(void)
{
CHAR szSource[100];
CHAR szDestination[100];
CHAR szPassword[100];
printf("Encrypt a file. \n\n");
printf("Enter the name of the file to be encrypted: ");
scanf("%s",szSource);
printf("Enter the name of the output file: ");
scanf("%s",szDestination);
printf("Enter the password:");
scanf("%s",szPassword);
//--------------------------------------------------------------------
// Call EncryptFile to do the actual encryption.
if(EncryptFile(szSource, szDestination, szPassword))
{
printf("Encryption of the file %s was a success. \n", szSource);
printf("The encrypted data is in file %s.\n",szDestination);
}
else
{
HandleError("Error encrypting file!");
}
} // End of main
//--------------------------------------------------------------------
// Code for the function EncryptFile called by main.
static BOOL EncryptFile(
PCHAR szSource,
PCHAR szDestination,
PCHAR szPassword)
//--------------------------------------------------------------------
// Parameters passed are:
// szSource, the name of the input, a plaintext file.
// szDestination, the name of the output, an encrypted file to be
// created.
// szPassword, the password.
{
//--------------------------------------------------------------------
// Declare and initialize local variables.
FILE *hSource;
FILE *hDestination;
HCRYPTPROV hCryptProv;
HCRYPTKEY hKey;
HCRYPTHASH hHash;
PBYTE pbBuffer;
DWORD dwBlockLen;
DWORD dwBufferLen;
DWORD dwCount;
//--------------------------------------------------------------------
// Open source file.
if(hSource = fopen(szSource,"rb"))
{
printf("The source plaintext file, %s, is open. \n", szSource);
}
else
{
HandleError("Error opening source plaintext file!");
}
//--------------------------------------------------------------------
// Open destination file.
if(hDestination = fopen(szDestination,"wb"))
{
printf("Destination file %s is open. \n", szDestination);
}
else
{
HandleError("Error opening destination ciphertext file!");
}
//以下获得一个CSP句柄
if(CryptAcquireContext(
&hCryptProv,
NULL,//NULL表示使用默认密钥容器，默认密钥容器名
//为用户登陆名
NULL,
PROV_RSA_FULL,
0))
{
printf("A cryptographic provider has been acquired. \n");
}
else
{
if(CryptAcquireContext(
&hCryptProv,
NULL,
NULL,
PROV_RSA_FULL,
CRYPT_NEWKEYSET))//创建密钥容器
{
//创建密钥容器成功，并得到CSP句柄
printf("A new key container has been created.\n");
}
else
{
HandleError("Could not create a new key container.\n");
}
}
//--------------------------------------------------------------------
// 创建一个会话密钥（session key）
// 会话密钥也叫对称密钥，用于对称加密算法。
// （注: 一个Session是指从调用函数CryptAcquireContext到调用函数
// CryptReleaseContext 期间的阶段。会话密钥只能存在于一个会话过程）
//--------------------------------------------------------------------
// Create a hash object.
if(CryptCreateHash(
hCryptProv,
CALG_MD5,
0,
0,
&hHash))
{
printf("A hash object has been created. \n");
}
else
{
HandleError("Error during CryptCreateHash!\n");
}
//--------------------------------------------------------------------
// 用输入的密码产生一个散列
if(CryptHashData(
hHash,
(BYTE *)szPassword,
strlen(szPassword),
0))
{
printf("The password has been added to the hash. \n");
}
else
{
HandleError("Error during CryptHashData. \n");
}
//--------------------------------------------------------------------
// 通过散列生成会话密钥
if(CryptDeriveKey(
hCryptProv,
ENCRYPT_ALGORITHM,
hHash,
KEYLENGTH,
&hKey))
{
printf("An encryption key is derived from the password hash. \n");
}
else
{
HandleError("Error during CryptDeriveKey!\n");
}
//--------------------------------------------------------------------
// Destroy the hash object.
CryptDestroyHash(hHash);
hHash = NULL;
//--------------------------------------------------------------------
// The session key is now ready.
//--------------------------------------------------------------------
// 因为加密算法是按ENCRYPT_BLOCK_SIZE 大小的块加密的，所以被加密的
// 数据长度必须是ENCRYPT_BLOCK_SIZE 的整数倍。下面计算一次加密的
// 数据长度。
dwBlockLen = 1000 - 1000 % ENCRYPT_BLOCK_SIZE;
//--------------------------------------------------------------------
// Determine the block size. If a block cipher is used,
// it must have room for an extra block.
if(ENCRYPT_BLOCK_SIZE 1)
dwBufferLen = dwBlockLen + ENCRYPT_BLOCK_SIZE;
else
dwBufferLen = dwBlockLen;
//--------------------------------------------------------------------
// Allocate memory.
if(pbBuffer = (BYTE *)malloc(dwBufferLen))
{
printf("Memory has been allocated for the buffer. \n");
}
else
{
HandleError("Out of memory. \n");
}
//--------------------------------------------------------------------
// In a do loop, encrypt the source file and write to the source file.
do
{
//--------------------------------------------------------------------
// Read up to dwBlockLen bytes from the source file.
dwCount = fread(pbBuffer, 1, dwBlockLen, hSource);
if(ferror(hSource))
{
HandleError("Error reading plaintext!\n");
}
//--------------------------------------------------------------------
// 加密数据
if(!CryptEncrypt(
hKey,//密钥
0,//如果数据同时进行散列和加密，这里传入一个
//散列对象
feof(hSource),//如果是最后一个被加密的块，输入TRUE.如果不是输.
//入FALSE这里通过判断是否到文件尾来决定是否为
//最后一块。
0,//保留
pbBuffer,//输入被加密数据，输出加密后的数据
&dwCount,//输入被加密数据实际长度，输出加密后数据长度
dwBufferLen))//pbBuffer的大小。
{
HandleError("Error during CryptEncrypt. \n");
}
//--------------------------------------------------------------------
// Write data to the destination file.
fwrite(pbBuffer, 1, dwCount, hDestination);
if(ferror(hDestination))
{
HandleError("Error writing ciphertext.");
}
}
while(!feof(hSource));
//--------------------------------------------------------------------
// End the do loop when the last block of the source file has been
// read, encrypted, and written to the destination file.
//--------------------------------------------------------------------
// Close files.
if(hSource)
fclose(hSource);
if(hDestination)
fclose(hDestination);
//--------------------------------------------------------------------
// Free memory.
if(pbBuffer)
free(pbBuffer);
//--------------------------------------------------------------------
// Destroy session key.
if(hKey)
CryptDestroyKey(hKey);
//--------------------------------------------------------------------
// Destroy hash object.
if(hHash)
CryptDestroyHash(hHash);
//--------------------------------------------------------------------
// Release provider handle.
if(hCryptProv)
CryptReleaseContext(hCryptProv, 0);
return(TRUE);
} // End of Encryptfile
//--------------------------------------------------------------------
// This example uses the function HandleError, a simple error
// handling function, to print an error message to the standard error
// (stderr) file and exit the program.
// For most applications, replace this function with one
// that does more extensive error reporting.
void HandleError(char *s)
{
fprintf(stderr,"An error occurred in running the program. \n");
fprintf(stderr,"%s\n",s);
fprintf(stderr, "Error number %x.\n", GetLastError());
fprintf(stderr, "Program terminating. \n");
exit(1);
} // End of HandleError
上面的代码来自MSDN，并作了修改。注释已经很详细了，这里就不赘述了，
解密与加密大同小异，大家可以自己看代码。
这次先写这么多，也许很多人觉得我写这些大家都知道，并且也太简单了。不要急慢慢来，嘿嘿：）接下来会有一些比较深入和实用的技术。
参考：
MSDN相关章节。
（注：如果代码编译不过，加入宏定义：_WIN32_WINNT=0x0400）